1、4期http:/基于线性材料力学模型的海岸岬湾形态特征研究吕小龙1,2,3，郑建国1,2,3，许国辉1,2,3，宋玉鹏4（1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；3.中国海洋大学三亚海洋研究院，海南三亚572000；4.青岛海洋工程勘察设计研究院有限公司，山东青岛266100）摘要：具有岬湾形态的海岸一般具有良好的稳定性，是海岸侵蚀修复中经常使用的岸线形态，而岬湾形态特征与海岸水动力之间的确切关系还没有形成量化的描述。本研究定义了海岸岬湾形态特征的基本参数，基于历史卫星影像的解译，采用比拟、统计的研究方法，
2、统计了全球240个岬湾的平面形态特征参数，分析得出：（1）岬控比（K）的值介于1.2至1.8之间，平均值为1.41，方差为0.02，标准差为0.16；（2）凸出度（）的值介于0.2至0.51之间，平均值为0.34，方差为0.01，标准差为0.08；（3）根据弧形岸线形态和波浪绕射的不同，将自然海岸岬湾形态分为切线夹曲线型、曲线连切线型和曲线夹切线型3类。采用数值模拟，将线性材料受力变形的过程比拟于岬湾海岸线受水动力作用达到静态平衡过程，以线性材料为媒介，初步探究了岬湾平面形态与波浪之间的关系，对海岸线的预测、修复和保护海岸具有一定参考价值。关键词：海岸岬湾形态；波浪；比拟法；线性材料；海岸线预
3、测中图分类号：P737.1文献识别码：A文章编号：1001-6932(2023)04-0385-13Doi:10.11840/j.issn.1001-6392.2023.04.003收稿日期：2022-11-26；修订日期：2023-02-13基金项目：国家自然科学基金项目（41976049）作者简介：吕小龙（1994），硕士研究生，主要从事海洋工程地质、海岸工程环境方面研究，电子邮箱：通信作者：郑建国，博士，副教授，电子邮箱：Study on the shape characteristics of coastal headland-bay based onlinear material m
4、echanicals modelLYU Xiaolong1,2,ZHENG Jianguo1,2,3,XU Guohui1,2,3,SONG Yupeng4（1.College of Environmental Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China;2.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao266100,China;3.Sa
5、nya Oceanographic Institution,Ocean University of China,Sanya 572000,China4.Qingdao Institute of Marine Engineering Survey and Design Co.,Ltd,Qingdao 266100,China）Abstract:The headland-bay coast generally has good stability,thus is frequently used in coastal erosion restoration.However,the exact rel
6、ationship between the morphological characteristics of the headland and the coastal hydrodynamics has not beendemonstrated quantitatively.This study defines the basic parameters of the shape characteristics of coastal headland-bay.Based on the interpretation of historical satellite images,research m
7、ethods of analogy and statistics are used to define and countthe plane morphological characteristics parameters of 240 headland-bay around the world.The conclusions are as follows:(1)the range of the Ratio of headland control area(K)is between 1.2 and 1.8,the average value is 1.41,the variance is 0.
8、02,and the standard deviation is 0.16;(2)The value of Protrusion ratio of headland bay()is between 0.2 and 0.51,the averagevalue is 0.34,the variance is 0.01,and the standard deviation is 0.08;(3)According to the difference of arc shoreline shapeand wave diffraction,the natural shape of coastal head
9、land-bay can be divided into three types:tangents-clamp-curve type,curve-continue-tangent type and curves-clamp-tangent type.By using the method of numerical simulation,the process ofstress deformation of linear materials is analogized to the static equilibrium of headland-bay coastline under hydrod
10、ynamicaction.With linear materials as the medium,the relationship between the plane shape of headland-bay and waves ispreliminarily explored,which is of great significance for coastline prediction and coast protection.海洋通报MARINE SCIENCE BULLETIN第42卷第4期2023年8月Vol.42,No.4Aug.202342卷海洋通报http:/Keywords:
11、shape of coastal headland-bay;wave;analogy method;linear material;coastline prediction政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新评估报告指出：未来20年全球温度将会比19世纪高1.5；整个 21世纪，沿海地区的海平面将持续上升，海岸正面临严重的侵蚀灾害1-3。通常，砂质海岸在自然界中长期与海岸动力相适应的过程中，会逐渐演变形成平衡海岸4。静态平衡岬湾海岸是稳定的理想海岸，探索海岸岬湾形态特征与水动力相互作用关系，利用平衡岸线原理形成人工岬湾来营造稳定海岸，在海岸的修复和保护中发挥着日益重要的作用5。自然界中，波
12、浪往往以一定角度对由自然岬角或人为工程所分割的砂质海岸进行岸线塑造9。对于稳定的弧形海湾形态曾有多种表述，如：半心形海滩10-11、对数螺线形海滩12、圆齿形海滩13、弧形或钩状海滩14、袋状海湾15、岬角海湾海滩16等。它们有着共同的特征：其弧形通常有明显的遮蔽段和切线段，呈不对称状态18。但现有研究大多只简单按其形态进行罗列，并没有根据实质特点对自然界存在的弧形岬湾进行分类。在探索稳定岬湾海岸形态的过程中，人们提出了许多基于静态平衡理论的经验模型，并用曲线拟合它们的边缘形态19，其中最主要的三种模型分别是对数螺线模型12、抛物线模型20、双曲切线模型21。抛物线模型只需确定控制线和优势波浪
13、波峰线方向两个参数，便可计算得到平衡岸线形态，在应用于检验海岸线是否达到稳定上得到了广泛的应用，该公式已逐渐获得多国海岸工程界的认同22。刘宗宇23通过分析沙滩地貌类型以及动力状况，沙滩表层沉积物特征和剖面形态，总结了影响沙滩变化的因素。郭俊丽24以沉积物特征、地形变化、滨线位移及近岸动力特征为基础，探究了不同强度风暴事件影响下的岬湾海滩动力地貌过程。众多研究者分别对岬湾的形态、岬湾海滩沉积物特征、岬湾海滩动力地貌过程等方面进行了研究，但对自然界存在的各类岬湾形态系统分类及相互关联方面的研究较少。本文统计了全球 240 个岬湾形态特征数据，对自然存在的弧形海湾进行分类，并从材料力学角度，采用比
14、拟的方法，用线性材料受力弯曲变形的平面形态比拟岬控岸线受水动力作用的岬湾平面形态，探究了岬湾形态与海岸波浪动力间的相互关系，进而提出一种研究岬湾形态与水动力关系的新思路、新方法。1原理与方法不同力学性质的线性材料，当材料本身的性质以及所受到的作用力改变时，其形态也随之改变，同理，由沉积物组成的海岸受到波浪、潮汐等水动力作用也会形成不同的形态。对适当的线性材料（图1（a）施加一定的外力，可实现线性材料受力后的形态与自然界的稳图1原理与方法（a）（b）（c）（d）3864期http:/定海岸岬湾形态高度吻合（图1（b）（d），因此可采用比拟的方法，通过建立线性材料属性与海岸物质属性、线性材料所受作
15、用力与海岸水动力之间的联系，将“岬湾形态与水动力作用关系”问题转化为“线性材料属性与所受外力作用关系”问题。采用统计分析的方法统计岬湾形态特征参数以及比拟模拟该岬湾的线性材料属性和外作用力数据，分析得到两者之间的某种对应关系。2数据来源与处理方法2.1岬湾形态特征参数2.1.1参数定义为了深入研究岬湾平面形态曲线规律，对岬湾平面形态特征参数作如下定义，如图2（a）所示：岬湾由两个岬角和一段弧形岸线构成，A、B分别为两岬角顶点；岬控岸线：岬湾内连接岬角顶点的弧形岸线，其长度用 S 表示；岬控线：两岬角顶点之间的连线，其长度称为岬间距，用L表示；深度：垂直于岬控线朝着海岸方向岬湾的最大凹入距离，用
16、 D 表示；岬长：岬角的长度，用表示；岬长比：岬角长度的比值，用表示（=A/B）；岬控比：岬控岸线长度与岬间距的比值，用K表示（K=S/L），用来衡量岬角对岬角间砂质海滩的影响范围；凸出度：岬湾深度与岬间距的比值，用表示（=D/L），用来衡量以两岬角顶点连线为基线，岬湾向陆地凸出的程度。本文统计了全球240个岬湾岸线，发现可以根据岸线弧形特征将海岸岬湾形态进一步分类为：切线夹曲线型（图2（b）、曲线连切线型（图2（c）和曲线夹切线型（图2（d）。（1）切线夹曲线型：岬湾由基岩岸线中间夹一段弧形砂质岸线构成，砂质岸线向两端逐渐过渡到基岩岸线（或岬角），弧形岸线中间曲率大，形成曲线段，曲率向两端逐渐减小形成切线段。波浪在两端基岩岸线或岬角处不发生明显的绕射，即靠近岬湾两端不存在明显的曲线段（遮蔽段）岸线。（2）曲线连切线型：岬湾主要由上岬角、弧形砂质岸线和下岬角（基岩岸线）构成，波浪主要从上岬角传播到下岬角，在上岬角发生绕射，形成曲率较大的曲线段（遮蔽段）岸线，曲率减小并逐渐过渡到下岬角，靠近下岬角的岸线近似直线，称为切线段。下岬角主要表示岬湾切线段砂质岸线的结束，波浪在下岬角不发生明显的
